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尿素装置双法兰液位计故障总结及改进
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尿素装置双法兰液位计故障总结及改进

时间:2023-10-31 15:15:34

 摘 要: 双法兰液位计是目前各类化工生产装置中技术成熟、使用较为普遍的一种液位测量仪表。受尿素装置工艺介质高温、高压、腐蚀、结晶、相变等因素的影响,双法兰液位计极易遭到损坏,造成测量失真。分析尿素装置自运行以来出现的各类双法兰液位计故障,总结改进措施及应用效果。Z4h压力变送器_差压变送器_液位变送器_温度变送器

 
青海云天化国际化肥有限公司现有两期年产30 万 t 尿素装置,采用传统二氧化碳汽提法工艺。一、二期尿素装置分别于 2010 年、2011 年建成投产。装置主要包括液氨系统和脱氢系统、高压合成系统、循环系统、水解系统、尿液蒸发、高塔造粒系统等。单套装置现有 30 余台液位检测仪表,包括隔膜密封式单/双法兰液位计、雷达液位计、放射性液位计、磁致伸缩液位计等。其中,隔膜密封式双法兰液位计占比为 30%,使用范围较广。
 
1、双法兰液位计测量原理及结构组成
双法兰液位计由差压变送器、含硅油毛细管、隔膜密封的双法兰组成。当高压、低压侧感受到压力后密封膜片会产生微小变形,通过毛细管内的硅油将压力传递给差压变送器。
P = ρgh (1)
其中,P 为压强,ρ 为介质密度,g 为重力加速度,h 为液位高度。根据(1)式,当差压变送器测算出高压、低压侧法兰之间的压差后,可通过数据转换,得到对应的液位高度。
 
2、故障原因分析及改进
2. 1、腐蚀
2. 1. 1 原因分析
尿素装置受高温、高压影响,尿素、甲铵液、液氨、二氧化碳、冷凝液和蒸汽等介质会对设备造成腐蚀。双法兰液位计测量膜片材质为不锈钢、合金以及稀有金属材料,膜片厚度为 0. 4 ~ 0. 5mm。因材质选型不当,极易腐蚀膜片,以精馏塔双法兰液位计为例,分析膜片损坏的原因。原设计精馏塔双法兰液位计测量膜片材质为316L,采用插入式结构,插入长度为 150 mm。每次双法兰液位计损坏的原因都是低压侧膜片与筒体边缘焊接部位发生腐蚀开裂,而高压侧膜片却完好,甚至低压侧膜片配对法兰出现腐蚀情况。
 
高压侧膜片位于精馏塔尿液出口管上,低压侧膜片位于精馏塔分离段上部。精馏塔液位控制在 15% ~ 20%,低压侧膜片长期处于气相介质中,高压侧膜片处于液相介质中。精馏塔将溶于汽提液中的部分二氧化碳和氨气通过加热和减压的方法分离出来,以达到提浓的目的。当压力越低、温度越高,分离出来的二氧化碳和氨气越多。二氧化碳和氨气极易在气相膜片上形成结晶物,破坏膜片钝化层。气相温度比液相温度更高,则腐蚀速率越快,膜片减薄速度越快。
 
插入式膜片和筒体焊接采用电阻焊 + 非熔化极惰性气体保护电弧焊(TIG)方式,焊缝处较为薄弱。因气相压力波动频繁,膜片受到的应力随之变化,加之插入式膜片容易受到气相介质流动冲刷的作用,焊缝处极易发生机械撕裂。
 
2. 1. 2 改进措施
为了降低膜片腐蚀速率,将膜片材质由 316L改为钽金属。为了解决膜片和筒体焊缝处易发生机械撕裂的问题,将插入式膜片改为平膜片,并在高压、低压侧法兰取压短接管处增加伴热措施,以防止二氧化碳和氨气在气相膜片上结晶。改进后,双法兰液位计使用周期从 1 a 提升至 4 a。
 
2. 2 结晶
2. 2. 1 原因分析
因尿素生产工艺物料在某种特定因素下易发生局部结晶现象,几乎所有双法兰液位计都出现测量失真故障。其中,以低压甲铵冷凝器液位槽液位计结晶次数#多。以低压甲铵冷凝器液位槽液位计为例,分析膜片结晶的原因。
 
原设计低压甲铵冷凝器液位槽双法兰液位计测量膜片材质为钽金属,采用插入式结构,插入长度为 150 mm。每次测量失真的原因都是低压侧膜片结晶,且结晶的频率与环境温度密切相关。结晶往往发生在冬季,结晶后必须加热法兰外部蒸汽或者人为使液位槽满液来融化结晶物。
 
来自精馏塔气相中的二氧化碳和氨气,与通过解吸泵送来的洗涤液、回流泵送来的回流液一起,通过低压甲铵冷凝器冷凝吸收,冷凝后的气液混合物通过连接管进入低压甲铵冷凝器液位槽气液分离。低压侧膜片与分离出的气相介质直接接触,随甲铵液浓度的升高和环境温度的降低,气相介质会逐渐在低压侧膜片上形成结晶物。
 
2. 2. 2 改进措施
2020 年 4 月,将液位计高压、低压侧法兰短接管处的不锈钢伴热管改为夹套伴热,以提高热量。改造后,结晶频率明显降低,但随气温下降结晶情况仍会出现。
 
2021 年 1 月装置大修,其间在液位槽北侧新增 1 台相同规格的双法兰液位计。2 台液位计膜片结晶存在时间差,故改造后任何时间都能保证有 1 台液位计始终处于完好状态。
 
2022 年大修期间,重新更换低压甲铵冷凝器液位槽保温系统,减少了液位槽的热量损失。改造后,装置运行 1 个月未出现结晶情况。
 
2. 3 高真空
2. 3. 1 原因分析
在尿素生产过程中,二段蒸发分离器的液位测量是在高真空环境下进行的。原设计二段蒸发分离器为单法兰液位变送器,高压侧安装于分离器下液管,低压侧通过引压管在分离器顶部绝压表引压管处焊接三通后进行取压,高压、低压取压点相对高差 20 m 左右。分离器内分离出的不凝气、分离器满液等状况都会引起引压管结晶,造成堵塞,该工况下引压管方式并不适用。
 
2018 年 12 月,通过技术改造将二段蒸发分离器液位计改为插入式双法兰液位计。高压侧安装位置未做改动,低压侧取压点改到分离器下液管视镜上方大约1 m 处的位置,高压、低压取压点相对高差 8 m 左右。改造后,二段蒸发分离器液位计使用效果较好。但是,6 个月后二段蒸发分离器突然出现测量失真的情况。拆检该双法兰液位计后发现,高压、低压侧膜片均已变形破损,分析认为该液位计膜片采用插入式结构,在高真空环境下受管道高速流动介质冲刷作用,导致膜片变形破损。
 
2. 3. 2 改进措施
在高压侧安装平膜片单法兰压力变送器,将高压侧压力测量值信号引至 DCS,低压侧压力由分离器顶部绝压表(PT-2404)测量。由此计算出差压值,并通过量程转换成对应的液位。该测量方式运行效果好,可实现自动调节液位。
 
3 结语
分析总结双法兰液位计出现的故障原因,#大限度地提升仪表的使用周期,减少故障率,保证装置的安稳长满优运行。同时,对仪表选型或者日常故障处理有一定的借鉴和参考价值。
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